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《自然》子刊发表韩宏伟教授课题组研究成果

来源:武汉光电国家实验室(筹)    作者:    发布时间:2017年09月04日

2017227,《自然·通讯》(Nature Communications(1)发表了华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)韩宏伟教授课题组荣耀光副教授、博士生侯晓萌等的研究新成果,论文题为氯化铵与水蒸气对高效可印刷介观太阳能电池中钙钛矿结晶过程的协同效应Synergy of ammonium chloride and moisture on perovskite crystallization for efficient printable mesoscopic solar cells)。其将钙钛矿前驱液中引入氯化铵(NH4Cl)作为添加剂,并通过控制空气氛围中的水分含量来调控钙钛矿材料在介孔膜中的结晶动力学过程,制备出光电转换效率超过15%的无空穴传输材料可印刷钙钛矿太阳能电池

钙钛矿半导体材料CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br, I)具有光吸收强、载流子迁移率高、带隙可调、可溶液加工等特点,是制备太阳能电池的理想材料。在过去几年中钙钛矿太阳能电池获得了飞速发展,其公证光电转换效率已高达22.1%,超过了光伏市场上占主导地位的多晶硅太阳能电池最高公证效率(2),显示出良好的发展潜力及应用前景,受到各国学术界及企业界人士的广泛关注。然而,目前获得高光电转换效率的钙钛矿太阳能电池通常需要使用价格昂贵的空穴传输材料和贵重金属对电极材料,且需要在惰性气体保护下制备,阻碍了其大规模制备与商业化发展(3)开发基于更廉价原材料及简单工艺的钙钛矿太阳能电池成为该类器件获得大规模应用的关键。与此同时,有关钙钛矿太阳能电池稳定性问题也需要更加深入全面的研究(4)

无空穴传输材料可印刷钙钛矿太阳能电池基于全印刷技术制备及三层介孔膜结构,其特点是在单一导电衬底上通过逐层印刷方式沉积TiO2纳米晶层、ZrO2间隔层碳对电极层,之后填充钙钛矿材料该类器件原材料成本低廉、制备工艺简单(5)。然而,如何在三层介孔膜中充分填充钙钛矿材料并获得较高结晶质量是获得高效器件的关键为此,该课题组提出一种在空气氛围中分步退火缓慢结晶的方法:首先引入NH4Cl作为钙钛矿结晶抑制剂形成中间相,然后利用空气中的H2O诱导中间相向钙钛矿相CH3NH3PbX3转变,并在介孔膜中有序生长从而形成高质量的钙钛矿CH3NH3PbX3。研究表明环境相对湿度35%−45%下课获得高质量的钙钛矿CH3NH3PbX3填充,光电转换效率达到15.6%。同时在未封装的条件下显示出良好的稳定性,器件在相对湿度35%的环境中保存超过130天其光电转换效率仍能保持初始值的96.7%。这一研究成果揭示了空气中水分对钙钛矿材料结晶动力学过程及稳定性的影响,使得在大气氛围下大规模制备钙钛矿太阳能电池成为可能,为钙钛矿太阳能电池的商业化发展及应用提供了新的途径。(论文链接:https://www.nature.com/articles/ncomms14555


1 

1钙钛矿结晶过程中氯化铵与水蒸气的协同作用


References

1. Y. Rong et al., Synergy of ammonium chloride and moisture on perovskite crystallization for efficient printable mesoscopic solar cells. Nat. Commun. 8, 14555 (2017).

2. NREL:. (http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg).

3. Y. Rong, A. Mei, L. Liu, X. Li, H. Han, All-solid-state Mesoscopic Solar Cells: From Dye-sensitized to Perovskite. Acta Chim. Sinica 73, 237-251 (2015).

4. Y. Rong, L. Liu, A. Mei, X. Li, H. Han, Beyond Efficiency: the Challenge of Stability in Mesoscopic Perovskite Solar Cells. Adv. Energy Mater. 5, 1501066 (2015).

5. A. Mei et al., A hole-conductor–free, fully printable mesoscopic perovskite solar cell with high stability. Science 345, 295-298 (2014).